信号分析处理matlab教材.docx

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信号分析处理matlab教材

摘要

模拟信号是指信息参数在给定范围内表现为连续的信号，或在一段连续的时间间隔内，其代表信息的特征量可以在任意瞬间呈现为任意数值的信号。

模拟通信是一种以模拟信号传输信息的通信方式。

非电的信号（如声、光等）输入到变换器（如送话器、光电管），使其输出连续的电信号，使电信号的频率或振幅等随输入的非电信号而变化。

利用信号的调变技术，可以将信号转换成所需要的不同性质的模拟信号。

例如，可以对正弦载波进行调幅、调频来达到特殊的工作目的，本文主要描述模拟信号的相位调制与解调方法。

关键词：

模拟信号模拟通信相位调制解调

Abstract

Analogsignalreferstoinformationwithinthegivenrangeofparametersshowedacontinuoussignal,oroveraperiodofsuccessivetimeintervals,whichrepresentstheamountofinformationcanbepresentedasasignalfeatureofanyvalueatanymoment.Analogcommunicationsignalisananalogtransmissioncommunicationmethodinformation.Non-electricsignals（suchassound,light,etc.）isinputtotheinverter（suchasamicrophone,opticaltube）,sothatacontinuouselectricaloutput,frequencyoramplitudeoftheelectricalsignalandothernon-electricalsignalthatvarieswiththeinput.Usingthesignalmodulationtechnology,thesignalisconvertedintoananalogsignaldifferentnaturerequired.Forexample,asinusoidalcarrieramplitudemodulation,frequencymodulationtoachievespecificworkpurposes,phasemodulationanddemodulationmethoddescribedinthispaper,theanalogsignal.

Keywords:

analogsignalsforanalogcommunicationphasemodulationanddemodulation

1模拟通信系统简介

1.1模拟通信系统概念

通信系统是为了有效可靠的传输信息，信息由信源发出，以语言、图像、数据为媒体,通过电（光）信号将信息传输，由信宿接收。

通信系统又可分为数字通信与模拟通信。

基于课程设计的要求，下面简要介绍模拟通信系统。

信源是模拟信号，信道中传输的也是模拟信号的系统为模拟通信，模拟通信系统的模型如图1所示。

图1模拟通信系统的模型

1.2相位调制与解调

相位调制简称调相，用PM表示，它是使高频振荡信号的相位按调制信号的规律变化，其振幅也保持不变。

调相信号的解调，称为鉴相或相位检波。

角度调制属于频谱的非线性变换，即已调信号的频谱结构不再保持原调制信号频谱的内部结构，且调制后的信号带宽比原调制信号的贷款要大得多。

虽然角度调制信号的频带利用率不高，但其抗干扰和噪声的能力较强。

1.3SIMULINK

SIMULINK是MATLAB软件的扩展，它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它与MATLAB语言的主要区别在于，其与用户交互接口是基于Windows的模型化图形输入，其结果是使得用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建，而非语言的编程上。

而所谓模型化图形输入是指SIMULINK提供了一些按功能分类的基本的系统模块，用户只需要知道这些模块的输入输出及模块的功能，而不必考察模块内部是如何实现的，通过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来就可以构成所需要的系统模型，进而进行仿真与分析。

2调制与解调原理分析

2.1调相信号

在模拟调制中，一个连续波有三个参数可以用来携带信息而构成已调信号。

当幅度和频率保持不变时，改变载波的相位使之随未调信号的大小而改变，这就是调相的概念。

角度调制信号的一般表示形式为：

（2.1.1）

式中，A是载波的恒定振幅；[ωct+φ（t）]是信号的瞬时相位，而φ（t）称为瞬时相位偏移；d[ωct+φ（t）]/dt为信号的瞬时频率，而dφ（t）/dt称为瞬时频率偏移，即相对于ωC的瞬时频率偏移

设高频载波为Uc=UcmCOSωct，调制信号为UΩ（t），则调相信号的瞬时相位φ（t）=ωct+KpUΩ（t）

瞬时角频率

（2.1.2）

调相信号:

（2.1.3）

将信号的信息加在载波的相位上则形成调相信号，调相的表达式为：

（2.1.4）

这里KPM称为相移指数，这种调制方式，载波的幅度和角频率不变，而瞬时相位偏移是调制信号f（t）的线性函数，称为相位调制。

调相与调频有着相当密切的关系，我们知道相位与频率有如下关系式：

（2.1.5）

（2.1.6）

所以在调相时可以先将调制信号进行微分后在进行频率调制，这样等效于调相，此方法称为间接调相，与此相对应，上述方法称为直接调相。

调相信号的产生如图所示：

图2.1.1直接调相图2.1.2间接调相

2.2调制原理

实现相位调制的基本原理是使角频率为ωc的高频载波Uc（t）通过一个可控相移网络,此网络产生的相移Δφ受调制电压UΩ（t）控制,满足关系Δφ=KpUΩ（t）所以网络输出就是调相信号，可控相移网络调相原理图如图所示：

图2.2控相移网络调相原理

2.3解调原理

已调波的解调电路称为检波器，调相波的解调电路称为相位检波器或鉴相器。

采用乘积鉴相是最常用的方法。

若调相信号为：

（2.3.1）

其中

Δφ（t）=KpmΩ（t）

同步信号与载波信号相差pi/2

（2.3.2）

式中k为乘法器增益,低通滤波器增益为1,可以看到乘积鉴相的线性鉴相范围较小，只能解调Mp≦6π的调相信号。

乘积鉴相器的原理图如图所示，由于相乘的两个信号有pi/2的固定相位差，故这种方法又称为正交乘积鉴相。

原理如下图：

图2.3正交乘积鉴相

3函数实现的仿真

3.1M文件源代码

3.1.1下述傅里叶变换的子函数m文件以“fftseq.m”保存

function[M,m,df]=fftseq（m,ts,df）

fs=1/ts;

ifnargin==2,n1=0;%nargin为输入参量的个数

elsen1=fs/df;

end

n2=length（m）;

n=2^（max（nextpow2（n1）,nextpow2（n2）））;%nextpow2（n）取n最接近的较大2次幂

M=fft（m,n）;%M为信号m的傅里叶变换，n为快速傅里叶变换的点数

m=[m,zeros（1,n-n2）];%构建新的m信号

df=fs/n;%重新定义频率分辨率

3.1.2下述求信号相角的子函数的m文件以“env_phas.m”保存

function[v,phi]=env_phas（x,ts,f0）

ifnargout==2%nargout为输出变数的个数

z=loweq（x,ts,f0）;%产生调制信号的正交分量

phi=angle（z）;%angle是对一个复数求相角的函数

end

v=abs（hilbert（x））;%abs用来求复数hilbert（x）的模

3.1.3下述产生调制信号的正交分量的m文件以“loweq.m”保存

function　x1=loweq（x,ts,f0）

t=[0:

ts:

ts*（length（x）-1）];

z=hilbert（x）;%希尔伯特变换对的利用---通过实部来求虚部

x1=z.*exp（-j*2*pi*f0*t）;%产生信号z的正交分量并将z信号与它的正交分量加在一起

3.2主程序文件源代码

t0=0.2;%信号的持续时间,用来定义时间向量

ts=0.001;%抽样间隔

fs=1/ts;%抽样频率

fc=300;%载波频率,fc可以任意改变

t=[-t0/2:

ts:

t0/2];%时间向量

kf=100;%偏差常数

df=0.25;%所需的频率分辨率，用在求傅里叶变换时，它表示FFT的最小频率间隔

m=sin（100*t）;%调制信号，m（t）可以任意更改

int_m

（1）=0;%求信号m（t）的积分

fori=1:

length（t）-1

int_m（i+1）=int_m（i）+m（i）*ts;

end

[M,m,df1]=fftseq（m,ts,df）;%对调制信号m（t）求傅里叶变换

M=M/fs;%缩放，便于在频谱图上整体观察　

f=[0:

df1:

df1*（length（m）-1）]-fs/2;%时间向量对应的频率向量

u=cos（2*pi*fc*t+2*pi*kf*int_m）;%调制后的信号　

[U,u,df1]=fftseq（u,ts,df）;%对调制后的信号u求傅里叶变换　

U=U/fs;%缩放

%通过调用子程序env_phas和loweq来实现解调功能　

[v,phase]=env_phas（u,ts,fc）;%解调，求出u的相位　

phi=unwrap（phase）;%校正相位角，使相位在整体上连续，便于后面对该相位角求导

dem=（1/（2*pi*kf））*（diff（phi）*fs）;%对校正后的相位求导再经一些线性变换来恢复原调制信号乘以fs是为了恢复原信号，因为前面使用了缩放

subplot（3,2,1）,plot（t,m（1:

length（t）））,axis（[-0.10.1-11]）,xlabel（'时间t'）,title（'原调制信号的时域图/'）

subplot（3,2,2）,plot（t,u（1:

length（t）））,axis（[-0.10.1-11]）,xlabel（'时间t'）,title（'已调信号的时域图/'）

subplot（3,2,3）,plot（f,abs（fftshift（M）））,axis（[-60060000.04]）,xlabel（'频率f'）,title（'原调制信号的频谱图/'）

subplot（3,2,4）,plot（f,abs（fftshift（U）））,axis（[-60060000.04]）,xlabel（'频率f'）,title（'已调信号的频谱图/'）

subplot（3,2,5）,plot（t,m（1:

length（t）））,axis（[-0.10.1-11]）,xlabel（'时间t'）,title（'原调制信号的时域图/'）

subplot（3,2,6）,plot（t,dem（1:

length（t）））,axis（[-0.10.1-11]）,xlabel（'时间t'）,title（'解调后信号的时域波形/'）

4SIMULINK实现